Технология бурения скважин
.pdfvk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
111
F=A(pm—pf)u,
где F — усилие; А — площадь поверхности контакта колонны с породой; u — коэффициент трения между УБТ и глинистой коркой/
Поскольку при нормальных промысловых условиях F не достигает предельных значений, Аутмэнз рассчитал величину F', равную половине предельного значения F. Он обнаружил, что F' возрастает не только с повышением и, (рт – рf) и А , но и с увеличением сжимаемости и толщины глинистой корки, искривления ствола и диаметра утяжеленных бурильных труб. Это усилие уменьшается с увеличением диаметра ствола скважины.
Усилие, необходимое для подъема бурильной колонны, становится тем больше, чем дольше колонна оставалась неподвижной, так как в статических условиях фильтрация продолжается. Таким образом, вокруг утяжеленных бурильных труб в статических условиях происходит рост глинистой корки, и угол контакта между коркой и УБТ возрастает (см. рис. 70,Б).
Предположение Лутмэнза, что прихват из-за перепада давления всегда происходит в тяжелом низе бурильной колонны, не подтверждается промысловым опытом. Адамс, изучая 56 случаев прихвата с последующими ловильными работами, установил, что в 31 случае были прихвачены бурильные трубы, а в остальных — либо только УБТ, либо УБТ и бурильные трубы. Результаты этого исследования ни в коей мере не опровергают выявленного Аутмэнзом механизма прихвата; они лишь свидетельствуют о том, что прихват может произойти в любой точке бурильной колонны, где она прилегает к проницаемому пласту с глинистой коркой на нем. Вероятность того, что прихват произойдет в тяжелом низе, возрастает из-за распределения веса бурильной колонны, вследствие чего УБТ всегда прилегает к нижней стороне ствола скважины. Однако в нижней части скважины глинистая корка значительно тоньше благодаря эрозии, вызываемой высокими скоростями сдвига, преобладающими в узком кольцевом пространстве вокруг УБТ, и это уменьшает вероятность прихвата здесь.
Особенно высока вероятность прихвата из-за перепада давления при бурении скважин с большим углом отклонения ствола от вертикали с морских платформ. В этих условиях нормальная по отношению к стенке ствола скважины состав¬ляющая веса утяжеленных бурильных труб и эрозия под тяжелым низом могут стать настолько значительными, что наружная глинистая корка вообще образовываться не будет (см. рис. 70,В). В таком случае УБТ опирается на горную породу и глинистая корка в желобе между УБТ и породой не уплотнится после прекращения вращения. Силы трения, действующие на УБТ, будут возникать частично за счет трения между УБТ и горной породой, а частично в результате проявления эффективных напряжений в зоне между глинистой коркой в желобе и УБТ. Эффективное напряжение в глинистой корке возрастает от нуля у ее передней поверхности до (pm – pf ) у задней поверхности.
Заклинивание на участках со сложной геометрией ствола
Заклинивание на участках со сложной геометрией ствола происходит там, где форма КНБК не соответствует форме ствола. Иногда КНБК не может свободно пройти через
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
112
такой участок. Если же КНБК продвигают в такой участок под большой нагрузкой, возможен прихват. Другими словами, прихваты на участках со сложной геометрией ствола возникают при перемещении бурильной колонны вверх или вниз по стволу.
Другие типы прихватов
К другим типам относятся прихваты, вызванные неисправностью оборудования, повреждением бурильной колонны и обстоятельствами непреодолимой силы. Если работы на буровой остановлены из-за неисправности механического оборудования, поднять инструмент из скважины невозможно. По определению это значит, что колонна прихвачена в скважине. К тому времени когда буровая снова заработает, колонна, скорее всего, будет прихвачена из-за действия рассмотренных выше механизмов. По аналогичным причинам к таким же последствиям может привести повреждение бурильной колонны, эвакуация персонала, приостановка работы по погодным условиям, осложнение политической обстановки, трудовые конфликты и т.д
Ликвидация прихватов
Правильное определение проблемы является первым шагом в процессе ее решения. Поэтому процесс ликвидации прихвата начинается с определения его механизма. После определения механизма можно немедленно приступать к ликвидации прихвата. Совершенно необходимо как можно быстрее и правильно выполнить начальные действия. Что бы ни было причиной прихвата - со временем ситуация осложняется. По статистике, в 50 % всех случаев прихваченную колонну удается освободить в течение первых четырех часов после возникновения прихвата, в то время как по истечении первых четырех часов этот показатель снижается до 10 %.
Освобождением колонны решение проблемы не заканчивается. Завершающей стадией процесса решения любой проблемы является анализ и оценка выполненных действий для того, чтобы можно было извлечь урок и усовершенствовать свою работу.
Таблица для определения типа прихвата
В книге "Обучение методам предотвращения незапланированных событий" представлена таблица для определения типа прихвата, которая поможет быстро определить механизм прихвата. На рис. 71 представлена немного упрощенная версия этой таблицы. Таблица построена как комбинация вероятностей, которые, взятые вместе, помогают определить, какой механизм действует в данном случае. Нужно только ответить на четыре вопроса в левой колонке, обвести кружком соответствующие числа в правых колонках и сложить обведенные числа в каждой колонке. Наибольшая полученная сумма укажет, какой механизм действует (рис. 71).
Например, дифференциальный прихват не возникнет, если колонну не оставляли без движения. Поэтому вероятность дифференциального прихвата колонны, которая находилась в движении непосредственно перед прихватом, равна нулю. Соответственно, в ячейках "Направление перемещения колонны непосредственно перед прихватом" ("Вверх" и "Вниз") колонки "Дифференциальный прихват" стоит "0". В ячейке "Без движения" стоит "2", поскольку в этом случае велика вероятность дифференциального
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
113
прихвата. В ячейке "Без движения" колонки "Прихват на участке со сложной геометрией ствола" стоит "0", поскольку такой прихват не произойдет, если колонна неподвижна. Если колонна неподвижна, вероятность прихвата на участке со сложной геометрией ствола равна нулю.
Следует отметить, что в ячейке "Без движения" колонки "Прихват шламом или обвалившейся породой" также стоит "2". Причина заключается в том, что при остановке буровых насосов для наращивания бурильной колонны появляется тенденция к оседанию шлама или кусков обвалившейся породы. Зная лишь направление перемещения колонны непосредственно перед прихватом, мы не можем однозначно установить, как возник прихват. Для этого нужно ответить еще на три вопроса, а затем сложить отмеченные числа и сравнить суммы.
Таблица для определения типа прихвата (из книги BP Amoco "Обучение методам предотвращения незапланированных событий")
|
Направление |
|
|
|
|
|
перемещения |
Прихват шламом |
|
Дифференци |
Заклинивание на |
|
колонны |
или обвалившейся |
|
альный |
участке со сложной |
|
непосредственно |
породой |
|
прихват |
геометрией ствола |
|
перед прихватом |
|
|
|
|
|
Вверх |
2 |
0 |
2 |
|
|
Вниз |
1 |
0 |
2 |
|
|
Без движения |
2 |
2 |
0 |
|
|
Перемещение |
|
|
|
|
|
колонны вниз после |
|
|
|
|
|
возникновения |
|
|
|
|
|
прихвата |
|
|
|
|
|
Вниз свободно |
0 |
0 |
2 |
|
|
Вниз с трудом |
1 |
0 |
2 |
|
|
Вниз невозможно |
0 |
0 |
0 |
|
|
Вращение колонны |
|
|
|
|
|
после возникновения |
|
|
|
|
|
прихвата |
|
|
|
|
|
Свободное вращение |
0 |
0 |
2 |
|
|
Затрудненное |
2 |
0 |
2 |
|
|
вращение |
||||
|
|
|
|
|
|
|
Вращение |
0 |
0 |
0 |
|
|
невозможно |
||||
|
|
|
|
|
|
|
Циркуляция после |
|
|
|
|
|
возникновения |
|
|
|
|
|
прихвата |
|
|
|
|
|
Свободная |
0 |
2 |
2 |
|
|
циркуляция |
||||
|
|
|
|
|
|
|
Ограниченная |
2 |
0 |
0 |
|
|
циркуляция |
||||
|
|
|
|
|
|
|
Циркуляция |
2 |
0 |
0 |
|
|
невозможна |
||||
|
|
|
|
|
|
|
Суммы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.71 Определение типа прихвата
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
114
Пример использования таблицы для определения типа прихвата
|
Направление |
Прихват шламом |
|
|
|
Заклинивание на |
|
перемещения |
|
|
|
||
|
или |
|
Дифференциаль |
|
||
|
колонны |
|
|
участке со сложной |
||
|
обвалившейся |
|
ный прихват |
|||
|
непосредственно |
|
|
геометрией ствола |
||
|
породой |
|
|
|
||
|
перед прихватом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вверх |
2 |
0 |
2 |
||
|
Вниз |
1 |
0 |
2 |
||
|
Без движения |
2 |
|
2 |
|
0 |
|
Перемещение |
|
|
|
|
|
|
колонны вниз |
|
|
|
|
|
|
после |
|
|
|
|
|
|
возникновения |
|
|
|
|
|
|
прихвата |
|
|
|
|
|
|
Вниз свободно |
0 |
0 |
2 |
||
|
Вниз с трудом |
1 |
0 |
2 |
||
|
Вниз невозможно |
0 |
|
0 |
|
0 |
|
Вращение колонны |
|
|
|
|
|
|
после |
|
|
|
|
|
|
возникновения |
|
|
|
|
|
|
прихвата |
|
|
|
|
|
|
Свободное |
0 |
0 |
2 |
||
|
вращение |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Затрудненное |
2 |
0 |
2 |
||
|
вращение |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Вращение |
0 |
|
0 |
|
0 |
|
невозможно |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Циркуляция после |
|
|
|
|
|
|
возникновения |
|
|
|
|
|
|
прихвата |
|
|
|
|
|
|
Свободная |
0 |
|
2 |
|
2 |
|
циркуляция |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Ограниченная |
2 |
0 |
0 |
||
|
циркуляция |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Циркуляция |
2 |
0 |
0 |
||
|
невозможна |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Суммы |
2 |
|
4 |
|
2 |
|
|
|||||
В приведенном выше примере прихват возник во время наращивания бурильной колонны. Вращать и расхаживать колонну не удавалось, но давление циркуляции не возросло.
Направление движения колонны непосредственно перед прихватом - "без движения".
Перемещение колонны вниз после возникновения прихвата - "невозможно".
Вращение колонны после возникновения прихвата - "невозможно".
Давление циркуляции после возникновения прихвата не возросло - "свободная циркуляция".
Суммы чисел в ячейках по каждой колонке.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
115
В колонке "Прихват шламом или обвалившейся породой" выбраны числа 2,0,0 и 0. Сумма равна 2.
В колонке "Дифференциальный прихват" выбраны числа 2, 0, 0 и 2. Сумма равна 4.
В колонке "Заклинивание на участках со сложной геометрией ствола" выбраны числа 0, 0, 0 и 2. Сумма равна 2.
Наибольшая сумма получилась для колонки "Дифференциальный прихват". Таким образом, наиболее высока вероятность того, что имеет место дифференциальный прихват.
Эту таблицу можно использовать на буровой для быстрого определения механизма, ответственного за прихват, или механизма, обусловившего осложнение в скважине. Кроме того, она может быть полезна при анализе проделанной работы после ликвидации прихвата, совместно с диаграммой станции контроля параметров бурения.
Начальные действия по освобождению прихваченной колонны
После того как установлен механизм прихвата, можно выполнять начальные действия по освобождению прихваченной колонны. Ниже указаны начальные действия для каждого типа прихватов.
Прихват шламом или обвалившейся породой
1.Сбросить давление, возросшее из-за образования пробки, а затем создать небольшое давление (слишком большое давление вдвинет КНБК, как поршень, дальше в пробку). Небольшое давление требуется для того, чтобы восстановить циркуляцию, если удастся сдвинуть колонну с места).
2.Приложить крутящий момент и произвести удар вниз яссом. Если ясс не включен в компоновку или не работает, приложить крутящий момент и максимальную осевую нагрузку (чтобы сдвинуть бурильную колонну в направлении, противоположном тому, в котором она двигалась до прихвата. Если попытаться приподнять бурильную колонну, она еще дальше зайдет в пробку. Цель заключается в том, чтобы сместить колонну и восстановить циркуляцию, чтобы размыть пробку и вынести материал пробки вверх по стволу) (следует отметить, что если ко времени возникновения прихвата колонну перемещали вниз в сильнонаклонной скважине, то нужно попытаться приподнять ее или произвести удар яссом вверх без вращения).
3.Если удастся восстановить циркуляцию в какой-то степени, нужно увеличить расход до максимума, который возможен без поглощения. Продолжать циркуляцию, пока скважина не будет очищена. Проработать интервал прихвата и вернуть инструмент на забой, промыть скважину перед спуском обсадной колонны или скважинных приборов.
Дифференциальный прихват
1.Немедленно приложить максимальный крутящий момент и довести его до места прихвата.
2.Продолжать циркуляцию с максимально допустимым расходом (выполнять одновременно с приложением крутящего момента). (Если в компоновку включен ясс, то на время удара вниз снизить подачу насоса до минимума, чтобы не противодействовать удару).
3.Поддерживая крутящий момент, резко разгрузить колонну, создавая максимальную осевую нагрузку. Ни в коем случае нельзя пытаться приподнять колонну! (это приведет
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
116
только к осложнению прихвата, а натяжение колонны уменьшит значение крутящего момента, который можно безопасно приложить к бурильной колонне).
4. Если в колонне есть ясс, нужно произвести удар вниз (не забывать снизить подачу насоса до минимума, чтобы не ослабить удар).
Заклинивание на участке со сложной геометрией ствола
1.Произвести удар яссом в направлении, противоположном тому, в котором двигалась колонна до прихвата. Приложить крутящий момент при ударах вниз, но никогда не прикладывать крутящий момент при ударах вверх.
2.Не нужно забывать про давление циркулирующего бурового раствора при заряжании ясса или нанесении ударов. При увеличении этого давления удар ясса вверх усиливается, а удар вниз ослабляется. Оно же мешает заряжанию ясса для удара вверх и помогает заряжанию для удара вниз.
При любых типах прихватов во время выполнения начальных действий по освобождению прихваченной колонны можно подготовить дополнительные действия.
3. Технические средства для строительства нефтяных и газовых скважин
3.1 Породоразрушающий инструмент
Бурение недр для поиска углеводородов требует выполнения операции спуска долот на колонне бурильных трубах или на гибких НКТ и их вращения с помощью поверхностной буровой установки или забойного двигателя и турбины. Выбор наилучшего долота для определенных условий является одной из проблем, с которой приходится сталкиваться нефтяным компаниям и буровым подрядчикам при планировании строительства скважины.
Основной инструмент буровых инженеров, то есть долото для вращательного бурения, которое в широком смысле слова классифицируется как долото с фиксированными резцами или как шарошечное долото, предназначен и изготовлен для различных пород и широкого спектра условий. Все, кто покупают и используют долота, должны понимать разницу между различными типами и конструкциями (рис. 72).
Долота с фиксированными резцами, или лопастные долота, имеют лопасти, составляющие с корпусом одно целое и вращающиеся одновременно с ним. Стальные лопастные долота, которые также называют долотами типа «рыбий хвост» из-за их характерного вида, применялись для вращательного бурения до 1900 года, и они резали мягкие породы, как плуг нарезает борозды в грунте. Современные долота с фиксированными резцами с поверхностями, армированными алмазами, также «пропахивают» породы; долота, в которых алмазы импрегнированы в матрице лопастей, «истирают» породы; долота PDC срезают породу аналогично токарному станку.
Шарошечные долота имеют металлические шарошки, которые независимо вращаются во время вращения долота на забое. Каждое долото имеет режущее элементы, т.е. упрочненные твердым сплавом стальные зубья или вставки из карбида вольфрама, которые раскалывают, разрушают, долбят или крошат породу подобно зубилу или
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
117
скребку, в зависимости от твердости породы. Шарошечные долота обеспечивают более глубокое бурение, и их часто считают долотами для проходки твердых пород, поскольку они могут бурить более твердые породы, чем режущие долота ранних конструкций
Рис.72 Буровые долота
Буровые долота составляют только долю — от одного до пяти процентов—от общей стоимости скважины, но являются основным компонентом экономики строительства скважины. Время, необходимое для бурения скважины, напрямую зависит от скорости бурения долота и от продолжительности его работы до износа. На основе отношения стоимости проходки одного фута инвестирование в правильно подобранное долото значительно снизит время бурения и количество спуско-подъемных операций. Для бурения неглубоких скважин с помощью наземных установок могут вполне подходить менее дорогие стандартные шарошечные долота. Усовершенствованные шарошечные долота или долота PDC с более высокой механической скоростью проходки и большим сроком службы, даже если они стоят дороже, могут быть самым экономически выгодным выбором при бурении в море и более глубоких скважин, где высока стоимость времени использования буровой установки и стоимость спуско-подъемных операций, необходимых для замены долот. Независимо от применения стоимость покупки оптимизированных долот затем многократно окупается.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
118
Первое шарошечное долото с тремя шарошками было запатентовано компанией «Ховард Хьюз» в 1909 году. Компания «Си Эс Рид» (C.S. Reed) усовершенствовала шарошечное долото в 1916 и 1917 году путем применения сменных двойных дисков и четырех вращающихся шарошек. Эти первые шаги в деле эволюции долот позволили продвинуть враща-тельное бурение за пределы границ глубины и срока службы стальных лопастных долот. С тех пор усовершенствования затрагивали то кон-струкцию шарошек, то структуру резцов. Эти усовершенствования предусматривали: армирование шарошек более твердым металлом, навариваемым на стальные зубцы; применение антифрикционных роликовых подшипников с шариковым замковым подшипником, удерживающим шарошки; вставок из карбида вольфрама, самосмазывающихся герметичных роликовых подшипников и подшипников скольжения.
Эта тенденция продолжается в настоящее время, о чем свидетельствуют новые конструкции подшипников и систем герметизации, усовершенствованные системы удержания шарошек, улучшенные режущие элементы с упрочнением карбидом вольфрама и алмазным композитом, которые обеспечивают превосходные рабочие характеристики и надежность, особенно в труднопроходимых твердых породах, при высокоскоростном бурении с использованием забойных двигателей или турбин.
Комплексное применение отдельных элементов и усовершенствований в конструкции долот для специфических условий позволяет улучшить процесс бурения и увеличить срок службы долот путем увеличения величины нагрузки на долото и повышения стойкости шарошечных долот.
Долота с фиксированными резцами также были подвержены эволюции по отношению к первым лопастным долотам за счет использования природных алмазов и синтетических поликристаллических алмазов (PDC) на режущих элементах. Долота с фиксированными резцами не имеют подвижных деталей, а только режущие поверхности, которые подвержены износу, и в некоторых случаях они могут бурить быстро в течение длительного периода времени. Природные алмазы впервые использовали примерно в 1910 году для специальных керноотборных долот, которые бурят ствол скважины по кольцу, а полученный столб породы, или керн, извлекают с помощью специальной колонковой трубы для оценки породы. Алмазные долота для сплошного бурения на забое скважины были внедрены в начале двадцатых годов двадцатого века. На основе технологии, разработанной компанией «Дженерал Электрик», которая позволяет импрегнировать синтетические алмазы в карбид вольфрама, первые долота PDC получили промышленное применение в начале семидесятых годов прошлого столетия.
Усовершенствования в долотах с фиксированными резцами стали возможными благодаря применению улучшенных материалов и технологий производства в сочетании с лучшим пониманием вопросов стабильности долот и динамики промывочной жидкости. Усовершенствованные режущее вооружение и конструкции долот сводят к минимуму неустойчивое забойное движение или вибрацию, обеспечивая более быстрое и эффективное бурение. Для режущих элементов обеспечивается совместимость с разбуриваемыми породами или с условиями бурения. Было создано новое поколение
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
119
долот PDC, отвечающих сложным требованиям наклонно-направленного бурения, а усиленные долота с импрегнированными алмазами также находят новые области применения.
Усовершенствование гидравлики долота и режущего вооружения позволили получить более совершенную конструкцию шарошечных долот и долот с фиксированными резцами. Полномасштабное испытание и компьютерное моделирование улучшили наше понимание взаимосвязи потока промывочной жидкости, очистки долота и удаления шлама, что позволило еще больше повысить производительность бурового долота. Компьютерное моделирование расчетной динамики промывочной жидкости (CFD), подобное моделированию, примененному для проектирования корпусов автомобилей, самолетов и морских судов, позволило проектировщикам оптимизировать гидравлику шарошечных долот и долот с фиксированными резцами для получения более высокой механической скорости проходки.
Усовершенствованные программы проектирования в настоящее время позволяют коррелировать литологию и прочность пород с различными типами долот, чтобы помочь операторам в выборе необходимых долот. Базы данных большой емкости регистрируют и отслеживают ход бурения и полученные ре-зультаты, что помогает в выборе шарошечных долот и долот с фиксированными резцами, и создают основу для непрерывного усовершенствования и последующего развития.
По мере улучшения конструкции и технологии изготовления исчезают границы между шарошечными долотами и долотами с фиксированными резцами. Исследования и разработки позволяют повысить надежность, усовер-шенствовать интегрированную конструкцию, улучшить гидравлику и стабильность для всех типов долот. Хотя это наделяет бурильщиков большими возможностями, это также значительно усложняет процедуру выбора долот.
Буровые долота и новые скважинные инструменты в сочетании с опытом сервисных служб экономят операторам время и деньги. В данной статье делается обзор шарошечных долот, долот PDC с фиксированными резцами и алмазных долот, а также последних разработок, включая весь диапазон конструкций, материалов и методов изготовления, которые значительно улучшают буровые характеристики и помогают бурильщику подобрать долота для определенного типа породы или условий бурения.
3.1.1 Технология шарошечного долота
В 1800-х гг. бурение с помощью установок канатного бурения и долот ударного бурения было медленным и ограничено малыми глубинами. Усовершенствование заключалось в использовании долот «рыбий хвост» и установок вращательного бурения с постоянной циркуляцией для удаления шлама, но стальные лопастные долота, лучше всего работавшие в мягких породах, даже тогда быстро изнашивались. В 1900-хгг. получило быстрое развитие применение режущего вооружения на шарошках, которые вращались независимо, прокатываясь через забой скважины во время вращения долота. Эти долота работали дольше и могли бурить глубже. Однако первые долота с вращающимися шарошками не отличались долговечностью и надежностью — шпильки и винты служили
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
120
для крепления компонентов долота в его ранних конструкциях — но они превосходили по производительности лопастные долота. Для снижения трения использовали простые подшипники со стальными втулками или муфтами.
Первоначальные усовершенствования затронули режущее вооружение. В начале тридцатых годов прошлого столетия были сконструированы взаимодействующие шарошки. При наличии зазора с соседними шарошками резцы могут быть длиннее и могут обеспечивать дополнительное очищающее действие в мягких породах.
До этого зубцы должны были быть короткими, чтобы не допустить контакта друг с другом во время вращения шарошки. Примерно в это же время изгото-вители начали подвергать сталь тепловой обработке и наплавлять более твердый металл на стальные зубья для бурения пород с высоким сжимающим усилием.
Есть два типа режущего вооружения шарошек: фрезерованные стальные зубцы, литые или цельнокованые с износостойкими режущими элементами из карбидо-композитов, и вставки из карбида вольфрама, отформованные отдельно и впрессованные в точно просверленные отверстия на поверхности шарошки. Долота со стальными зубьями и долота со вставками применяют для бурения мягких пород, пород средней твердости и твердых пород (рис.2). Долота со стальными зубьями используют в мягких породах с низкой прочностью на сжатие, а также в породах средней твердости ив твердых породах с высокой прочностью на сжатие. Долота со вставками применяют для бурения пород от мягких и полутвердых до твердых, полуабразивных и сильно абразивных.
Анатомия шарошечных долот
Рис.73 Шарошечные долота с фрезерованными зубьями